A Espuma Quântica do Espaço-Tempo
A ESPUMA QUÂNTICA DO ESPAÇO-TEMPO
CELSO LUIS LEVADA
Professor aposentado da Academia da Força Aérea de Pirassununga
RESUMO
Em uma escala microscópica, o espaço não é contínuo e, ao contrário, possui uma estrutura semelhante a espuma. O tamanho desses elementos de espuma é tão pequeno que é difícil imaginar e atualmente é impossível medir diretamente. No entanto, partículas leves que viajam dentro dessa espuma serão afetadas pela estrutura espumosa, e isso fará com que elas se propaguem a velocidades ligeiramente diferentes, dependendo de sua energia. O fato de todos os fótons com energias diferentes chegarem sem atraso de tempo um com o outro indica que uma estrutura espumosa, se é que existe, tem um tamanho muito menor do que o esperado anteriormente.
Palavras chaves: Espuma quântica, Espaço, Tempo, Relatividade
ABSTRACT
On a microscopic scale, space is not continuous and, on the contrary, has a foam-like structure. The size of these foam elements is so small that it is difficult to imagine and it is currently impossible to measure directly. However, light particles that travel within this foam will be affected by the foamy structure, and this will cause them to propagate at slightly different speeds, depending on their energy. The fact that all photons with different energies arrive without delay in time with each other indicates that a foamy structure, if any, is much smaller than previously expected.
Keywords : Quantum foam, Space, Time, Relativity
INTRODUÇÃO
Em 1955, o físico teórico John Wheeler sugeriu que, em escalas de tamanho muito pequeno, existem minúsculas partículas que são criadas e aniquiladas constantemente, originando no espaço tempo, uma espécie de estrutura quântica espumosa. Ninguém jamais observou essa tal espuma quântica, mas há amplo consenso de que o tecido do universo deve ser feito de algo parecido. A teoria diz que o espaço-tempo sofre flutuações quânticas, dando origem à espuma do espaço-tempo e à espuma quântica. Algumas propriedades da espuma do espaço-tempo apontam as interconexões conceituais na física da espuma quântica com buracos negros. Pode-se dizer que o espaço-tempo sofre flutuações quânticas, isto é, instabilidades quânticas, em que o próprio espaço está mudando sua forma em todo instante (CASTRO et al). Tais partículas ainda não foram detectadas, mas os resultados experimentais só concordam com cálculos teóricos quando partículas virtuais são incluídas na teoria (KRONFELD).
ESPUMA QUÂNTICA
Um bom texto a respeito do tema Espuma Quântica feoi elaborado por ARKELL. O que é espuma de espaço-tempo? Quando se escreve “espuma de espaço-tempo” em um texto, para os físicos significa quase o mesmo que escrever “de alguma forma, a gravidade quântica cuida de tudo”. Ninguém sabe como os maiores buracos negros do universo crescem tanto. Alguns astrofísicos dizem que é porque eles se alimentam da espuma quântica que compõe o tecido do espaço-tempo. Uma hipótese é que os buracos negros podem crescer alimentando-se dos buracos negros quânticos bem menores. Esses buracos negros quânticos são parte da chamada espuma quântica que os físicos acreditam compor o tecido do Universo. Buracos negros supermassivos podem adquirir muita massa através dessas contribuições quânticas ao longo do tempo de vida do universo. Veja aqui alguns antecedentes úteis. Em circunstâncias normais, a espuma quântica tem pouco impacto. No entanto, os físicos acham que deve desempenhar um papel importante nas circunstâncias mais extremas em que o universo está sendo dilacerado pelas forças que atuam sobre ele. Buracos negros são claramente um desses lugares. A questão é perguntar o que acontece quando um buraco negro encontra espuma quântica. É possível que as flutuações quânticas na forma de mini buracos negros possam acoplar a buracos negros macroscópicos e permitir que estas cresçam exponencialmente. Então, esse tipo de crescimento pode facilmente explicar o tamanho observado de buracos negros supermassivos relativamente jovens, e provavelmente esse mecanismo poderia permitir que buracos negros menores também crescessem. De fato, ele sugere que esses objetos menores, que seriam difíceis de serem observados da Terra, poderiam constituir uma fração significativa da misteriosa matéria escura que os astrônomos acreditam que o universo deve conter. Segundo alguns cientistas,como por exemplo, SPAANS não existe espaço vazio. O que temos em vez disso é chamado de "espuma quântica". Não podemos ver, mas podemos ser capazes de senti-lo. A ideia vem das tentativas de fundir a gravidade relativista com a mecânica quântica. A gravidade, Einstein provou, era uma deformação do tecido do espaço-tempo. Também se comporta como um campo. Todos os planetas distorcem o espaço-tempo e criam seu próprio campo gravitacional. Portanto, o espaço não é livre de gravidade, mas há diferentes atrações gravitacionais através das quais as partículas se movem. Mas, a teoria quântica de campos vê o espaço como outro campo pelo qual as partículas pontuais se movem. Isso é significativo porque permite que o espaço também seja um campo de onde surgem as partículas. Em uma escala quântica, isso não é tão estranho. Sabemos que as partículas fazem uso de um efeito chamado tunelamento quântico, o que significa, do ponto de vista convencional, que, em curtos períodos de tempo, elas devem “emprestar” energia do sistema . E Einstein provou que energia e massa são equivalentes. Se o sistema pode emprestar energia, por que não massa? Einstein mostrou que o espaço-tempo é uma coisa física e que pode ser dobrado e esticado com massa e energia. Essas enormes flutuações de massa e energia em distâncias minúsculas e minúsculas precisam se agitar. Em distâncias suficientemente curtas no espaço, haveria minúsculos buracos negros e minúsculos planetas, cada um estendendo o espaço-tempo da mesma maneira que os buracos negros e os planetas regulares fazem. Então, à medida que aumentávamos o espaço-tempo, não seria um trecho suave de tecido deformado suavemente por planetas grandes, mas seria movimentado, em constante movimento, por causa dessas pequenas, mas volumosas flutuações. Em vez de tecido, temos a espuma quântica (SPAANS).
Na proposta de CASTRO, o espaço-tempo é o resultado de um processo físico pelo qual o meio subquântico passa de um estado caótico para um mais organizado. Este meio subquântico é algo que CASTRO descreve como uma espécie de espuma primordial de onde o próprio espaço-tempo emerge. Como os comportamentos diferentes do espaço-tempo são, é claro, assinaturas da gravidade, ou seja, pode-se dizer que a gravidade é quântica. Pode-se também concluir que um dado sistema físico pode ter diferentes propriedades de espaço-tempo em seus diferentes componentes, dependendo de como diferentes ondas subquânticas o influenciam, isto é, dependendo da complexidade e riqueza da onda global subquântica. Assim, damos à função de onda subquântica geral a tarefa de criar as relações espaciais e cronológicas nas quais ocorrem as interações físicas, em todas as escalas, tanto astronômicas quanto microscópicas. Segundo CASTRO, dependendo do arranjo das condições em que alguns sistemas físicos são observados, pode-se, nessas circunstâncias especiais, revelar fenômenos incomuns que seriam simplisticamente descritos, por exemplo, como superluminal, mas que são de fato devido à invalidade da média de as relações de espaço-tempo que se obtêm em geral. Por enquanto, tudo isto é puramente teórico, mas os pesquisadores estão trabalhando em maneiras de testar essas idéias.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A idéia de espuma quântica surge da idéia de Einstein de que a gravidade é causada pela distorção e curvatura do espaço-tempo. Essa concepção implica que o espaço-tempo é uma entidade física real que é dinâmica e, nesse caso, também deveria estar sujeita à física quântica. Em outras palavras, a idéia de espuma quântica é o que obtemos quando aplicamos a física quântica ao tecido do próprio espaço-tempo.Algo tão pequeno provavelmente nunca será possível de observar; portanto, a espuma quântica existe apenas na mente dos teóricos por enquanto. Mas algumas experiências foram realizadas que parecem corroborar a idéia. Por exemplo, os cientistas mediram que os fótons que chegam à Terra a partir de explosões estelares distantes parecem chegar em momentos diferentes, dependendo do nível de energia. Como a velocidade da luz deve ser constante, algo deve ter interrompido o caminho dessas partículas. Poderia ter sido espuma quântica? Esses experimentos precisam ser replicados antes que quaisquer conclusões possam ser tiradas, mas pelo menos demonstram que a idéia de espuma quântica pode ser potencialmente testável, mesmo que não possamos observá-la diretamente. John Wheeler, em 1950, sugeriu que, na menor escala possível, espaço e tempo se transformassem em algo que ele chamou de "espuma do espaço-tempo". Ele argumentou que em uma escala tão pequena, definir tempo, duração e energia estaria sujeito ao princípio da incerteza. Desde então, outros estudaram seriamente tal espuma , e alguns sugeriram que, se um vácuo fosse preenchido com espuma do espaço-tempo, haveria muita energia envolvida. Outros argumentam que esse cenário se comportaria como a constante cosmológica. O universo que percebemos é formado por três dimensões do espaço e outra dimensão do tempo, que juntas formam um único tecido que Albert Einstein chamou de contínuo espaço-tempo. Os cienitistas propuseram que, no nível quântico, o espaço-tempo não é constante, mas espumoso, composto de pequenas bolhas em constante mudança. A proposta de espuma no espaço-tempo se encaixa perfeitamente na incerteza intrínseca e no indeterminismo do mundo quântico. A espuma do espaço-tempo estende a incerteza quântica na posição e momento das partículas até o próprio tecido do universo, de modo que sua geometria não é estável, consistente ou fixa em uma escala minúscula. A idéia é que, na espuma do espaço-tempo, todo ponto possui uma enorme quantidade de energia, previsto pela teoria quântica, mas se comporta de maneira diferente em outros pontos. Para qualquer ponto no espaço-tempo que esteja se comportando de um certo modo, existe outro ponto em que o oposto é igualmente provável. Essa é a característica da espuma do espaço-tempo que "cancela" a energia e as expansões extras em uma escala minúscula, resultando na energia mais baixa que observamos na escala de todo o universo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- WHEELER, J. A. . "Geons". Physical Review. 97 (2): 511–536 (1955) Bibcode:1955PhRv...97..511W. doi:10.1103/PhysRev.97.511, texto disponível em https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/physrev.97.511
- SWARUP, A. Physicists create great balls of fire, texto disponível em https://www.newscientist.com/article/dn9293-physicists-create-great-balls-of-fire/
- CASTRO et al., Rev. Mod. Phys. 81, 109 (2009), disponível em https://arxiv.org/abs/0709.1163
- ARKELL, E.I.- There is no such thing as emptiness. There is only quantum foam, disponível em Physics https://io9.gizmodo.com/there-is-no-such-thing-as-emptiness-there-is-only-quan-453814024
- KRONFELD, A.S.- Lattice Gauge Theory and the Origin of Mass, disponível texto em https://arxiv.org/abs/1209.3468
- SPAANS, M. Texto disponível em https://arxiv.org/pdf/1309.1067.pdf
- MINSKY, C. - The Universe Is Made of Tiny Bubbles; texto disponível em http://www.lairdslair.com/foam.shtml